深床反硝化生物濾池處理二級生化尾水試驗

周 姣,李金城,韋春滿,何彩霞,張 琴,劉輝利,程 濤,王淋藝

(桂林理工大學 環(huán)境科學與工程學院，廣西 桂林 541006)

0 引 言

中央和地方環(huán)境保護部門普遍要求地表水水質(zhì)達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)中準Ⅳ類水,若污水處理廠排放到自然水體中的水含氮化合物過量會導致嚴重的水體富營養(yǎng)化,對二級生化尾水進行深度脫氮已引起全行業(yè)的廣泛關(guān)注。常規(guī)污水處理工藝的二級生化尾水具有低碳高氮的特點,碳源不足導致傳統(tǒng)生物脫氮工藝對此類廢水的處理效果不佳,深床反硝化生物濾池(deep-bed denitrification biofilter,DNBF)可通過投加碳源和反硝化生物濾池中微生物的作用對低碳氮比污水達到較好的反硝化脫氮效果[1-3]。

1 材料與方法

1.1 深床反硝化生物濾池裝置

將污水處理廠二級生化尾水泵入DNBF裝置中。 DNBF裝置主體為Φ55 mm×2 000 mm的亞克力玻璃柱,兩柱串聯(lián)運行,濾料總高度為2.4 m,實驗裝置見圖1。 濾池結(jié)構(gòu)由下至上依次為承托層、濾料層、清水區(qū)、保護區(qū),濾料層每200 mm高度設置一個取樣口。 濾柱濾料為石英砂,粒徑為2～8 mm。 底部設進水口、反沖洗布水管及布氣管。 進水用計量泵泵入,反應器采用上向流的形式,出水由頂部溢流口排放。 掛膜期間采用單獨清水沖洗,穩(wěn)定運行期間采用氣水聯(lián)合反沖洗的方式。

圖1 DNBF實驗裝置Fig.1 Schematic diagram of DNBF experimental system

1.2 供試水質(zhì)及分析方法

接種污泥取自桂林市某污水處理廠回流污泥。二級生化尾水水質(zhì)見表1。

取適量填料表面的生物膜,經(jīng)冷凍干燥脫水等相關(guān)預處理,將處理過的填料樣品于掃描電鏡(日本JSM-6380LV)下進行定性觀察。

1.3 外部碳源投加量計算

為彌補二級生化尾水中碳源不足,用乙酸鈉作為外加碳源,為異養(yǎng)反硝化菌提供足夠能量。乙酸鈉的COD當量以0.68 kg COD/kg乙酸鈉計,外部碳源投加量及需外部碳源反硝化作用去除氮量的計算參考文獻[22]。

Cm=5N,

(1)

N=Ne-Ns。

(2)

乙酸鈉費用為3 000元/t,若去除10 mg/L的TN,代入式(1)可得:Cm=5×10=50 mg COD/L。乙酸鈉投加量=50/0.68=73.5 mg/L,則乙酸鈉投加費用=73.5 g/m3×3元/kg×10-3=0.22元/t水。

2 結(jié)果與討論

2.1 裝置啟動與掛膜效果

表1 污水處理廠二級出水

Table 1 Secondary effluent of sewage treatment plantwB /(mg·L-1)

圖2 掛膜期間濃度變化Fig.2 Concentration of in effluent during filming

2.2 HRT 對DNBF處理效果的影響

圖3 不同HRT下DNBF出水污染物濃度變化Fig.3 Variation of pollutants in effluent under different HRT

2.3 碳氮比對DNBF處理效果的影響

2.4 濾料高度與DNBF處理效果的相關(guān)性分析

圖4 不同C/N下污染物濃度變化Fig.4 Variation of pollutants in effluent under different C/N

表2 濾池中胞外聚合物含量與污染物濃度變化的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of the contents of EPS and pollutant concentration change in the process of filter

注:**在 0.01 級別(雙尾),相關(guān)性顯著;*在 0.05 級別(雙尾),相關(guān)性顯著。

圖5 沿程生物膜上胞外聚合物的動態(tài)變化Fig.5 Distribution of biomass and extracellular polymer on fillers

圖6 不同濾料高度處污染物濃度變化Fig.6 Variation of pollutants in effluent under different filter heights

掛膜前濾料結(jié)構(gòu)較為簡單,隨著處理的進行,濾料表面顏色逐漸加深厚度變厚,并形成網(wǎng)狀生物膜結(jié)構(gòu),沿水流方向,生物膜厚度逐漸變薄,顏色變淺,出水端生物膜的SEM表征顯示其形態(tài)為片狀結(jié)構(gòu)。微生物分泌的各種代謝產(chǎn)物以及積累的懸浮物所形成的表面生物膜能使微生物穩(wěn)定附著于填料表面,沿程生物膜特征的變化與胞外聚合物含量關(guān)系密切。劉鶴蒙等[36]研究發(fā)現(xiàn)，城市污水管網(wǎng)中EPS含量的增加使細菌更易粘附到載體表面,導致生物膜厚度增加,生物膜厚度與EPS含量變化趨勢相似。生物膜是污水中污染物去除的關(guān)鍵,而EPS對生物膜及菌膠團的形成具有至關(guān)重要的作用[37]。微生物分泌的胞外蛋白和多糖可以促進微生物之間的粘附作用,在維持生物膜結(jié)構(gòu)完整性方面發(fā)揮著重要作用[38]。EPS層與微生物粘附過程之間的關(guān)系主要指范德華力相互作用,靜電力和表面的疏水性[39-40]。DNBF運行過程中,要定期對生物膜進行反沖洗,防止生物膜過厚導致細胞與基質(zhì)之間的相互作用減弱,從而引起生物膜內(nèi)部的微生物活性降低,污染物的去除效率下降。

2.5 DNBF對實際廢水的處理效果

在最佳運行條件(外加碳源C/N=4.5,HRT=120 min,濾料高度120 cm)下,對實際二級生化尾水中污染物的去除效果進行分析。

3 結(jié) 論

針對城鎮(zhèn)二級生化尾水低碳高氮的特點,通過深床反硝化生物濾池對城鎮(zhèn)污水廠二級生化尾水進行處理,探討了外加碳源C/N、水力停留時間和不同濾料高度對含氮污染物及COD 的去除影響,優(yōu)化DNBF的工藝條件,分析了不同濾料高度的微生物分布對污染物去除的作用及相關(guān)性,得到以下結(jié)論:

圖7 實際二級生化尾水的處理效果Fig.7 Treatment effect of secondary biochemical tail water

(3)通過PEARSON相關(guān)系數(shù)分析可知,胞外聚合物含量與含氮污染物濃度變化呈極顯著正相關(guān)(p<0.01),微生物分泌的胞外聚合物是細胞與基質(zhì)相互作用的重要介質(zhì),胞外蛋白和多糖促進微生物之間的粘附作用,在維持生物膜結(jié)構(gòu)完整性方面發(fā)揮著重要作用。生物膜的形成和EPS含量變化是深床反硝化生物濾池脫氮、去除污染物的關(guān)鍵。